những vấn đề cơ bản của matrix converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm

những vấn đề cơ bản của Matrix Converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab Mở Đầu Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Nhờ vào các bộ biến đổi được xây dựng dùa trên các phần tử bán dẫn công suất (Điôt, Transito,Tiristo,IGBT…) có thể khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải điện. Do sự phát triển như vũ bão của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn, đã cho ra đời các van bán dẫn với những ưu điểm như chuyển mạch nhanh, tính năng dòng áp cao, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy đảm bảo, dẫn đến khả năng chiếm ưu thế hoàn toàn của các bộ biến đổi điện tử công suất mà điển hình là bộ biến tần, là một bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số điện áp và tần số không đổi, thành nguồn điện áp ra với các thông số điện áp và tần số thay đổi được. Sự ra đời của bộ biến tần Matrix Converter, (thực chất là một bộ biến tần làm việc trực tiếp với lưới điện) là sự phát triển vượt bậc của điện tử công suất, có ý nghĩa rất lớn trong việc biến đổi điện năng. Cùng với sự hoàn thiện của kỹ thuật điện tử công suất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật điều khiển số cộng với các hệ thống điều khiển tự động truyền động điện thông minh và hiện đại đã cho phép tạo nên hệ thống truyền động “Matrix Converter /Động Cơ” làm việc chắc chắn, tin cậy hiệu suất cao, dải điều khiển rộng, đảm bảo các chức năng bảo vệ cũng như điều khiển chính xác quá trình chuyển mạch vốn đòi hỏi rất nghiêm ngặt. 1 Matrix converter (MC) ưu thế hơn các biến tần truyền thống nhờ khả năng trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, hiệu suất rất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng, không phải qua khâu trung gian tích luỹ năng lượng, cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng trả về lưới điện mà không cần có mạch điện phụ. Vượt qua được những hạn chế của biến tần trực tiếp, là tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp. Ngoài ra còn có thể tích hợp cùng với động cơ vào một thiết bị đơn nhất để giảm kích thước, giá thành, tăng hiệu suất và độ tin cậy thiết bị, làm việc ở cả 4 góc phần tư. Matrix Converter còn cho phép điều chỉnh được hệ số công suất cos )( ϕ đầu vào, cho dòng vào và áp ra có dạng hình sin. Cùng với việc khắc phục những nhược điểm cố hữu như tỷ số truyền áp tối đa thấp, số lượng van bán dẫn ở mạch lực nhiều gây khó khăn trong vấn đề điều khiển, không có đuờng thoát năng lượng tự nhiên (free-wheeling) và tụ nối một chiều nên mạch bảo vệ phức tạp sẽ tạo ra xu hướng phát triển rộng rãi cho Matrix Converter trong các ứng dụng công nghiệp mà cho đến nay vẫn còn bị bỏ ngỏ Thực hiện công việc thiết kế một bộ điều khiển truyền động điện động cơ dùa trên mô hình Matrix Converter sẽ liên quan đến những vấn đề sau: - Điện tử công suất: khoá hai chiều, tổn hao, bảo vệ, chuyển mạch… - Truyền động điện: thuật toán điều khiển động cơ, PWM, không gian vector… - Lập trình DSP, VXL, thiết kế mạch in Với những vấn đề rộng và phức tạp như vậy, trong khuôn khổ thời gian có hạn, bản đồ án này chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản của Matrix 2 Converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink dùa trên thuật toán điều biến của tác giả Venturini . Bản đồ án này đóng góp vào một trong những bước đi đầu tiên của sinh viên ngành TĐH trường ĐHBKHN về đề tài mới - phương pháp biến tần Matrận - Bổ xung thêm 1 đề tài có nhiều hứa hẹn phát triển và ứng dụng thực tế trong tưong lai gần. Trong thời gian làm đồ án ,với sự nỗ lực của bản thân và các bạn cùng nhóm dưới sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn Trần Trọng Minh em đã hoàn thành bản đồ án này đúng hạn định. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do thời gian hạn chế, bản thân trình độ còn có hạn nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên quan tâm. Chương I: Matrix Converter các vấn đề cơ bản I.1 khái niệm về Matrix Converter I.1.1 Sự phát triển của Matrix Converter Thời gian gần đây đã có nhiều người quan tâm đến bộ biến tần ma trận trực tiếp AC-AC dùng trong truyền động thay đổi tốc độ động cơ cảm ứng. Một trong những người đề xuất đầu tiên là Gyugyi và Pelly (năm 1976) đã chỉ ra nguyên tắc hoạt động của bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá có thể điều khiển được 2 chiều để nhận được tần số đầu ra không bị hạn chế. Nhược điểm chính của mạch là xuất hiện nhiều các hài bậc cao không mong muốn của dòng vào và áp ra không thể dùng bộ lọc dễ dàng loại bỏ. Vấn đề này đã được vượt qua nhờ Venturini và Alesina (năm 1980- 1981), Hai người đã đưa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dòng 3 điện vào và điện áp ra hình sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển được hệ số công suất đầu vào. Đến năm 1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đã tạo ra được tỉ số truyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển được trọn vẹn cosϕ đầu vào trong giới hạn của điện áp và cosϕ đầu ra. Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đưa ra một líp các thuật toán vô hướng nhờ dùa trên việc so sánh vô hướng các giá trị điện áp vào tức thời và tạo dòng điện ra hình sin theo nguyên tắc dòng điện vào mỗi pha tỉ lệ với điện áp vào trên pha đó trong mét chu kỳ lấy mẫu. Vấn đề thời gian thực của thuật toán điều khiển yêu cầu nhiều lần so sánh ở mỗi lần lấy mẫu sẽ yêu cầu thời gian tính toán của các bộ vi xử lý cao. Tiếp theo là phương pháp điều khiển tạo điện áp đầu ra sử dụng điều biến vector không gian vector (Space Vector Modulation-SVM), thuật toán điều khiển này sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung(Pulse Width Modulation-PWM) cải thiện đáng kể dạng sóng điện áp ra tuy nhiên khi đó chất lượng dạng sóng của dòng điện vào bị suy giảm. Những nghiên cứu khác gần đây(1992-1998) nhất chủ yếu tập trung vào việc tăng hiệu suất của Matrix Converter bằng cách giảm tối đa tổn hao đóng cắt nhờ thực hiện dòng zero khi đóng và áp zero khi mở nhưng đòi hỏi các phần tử phụ thêm vào cấu trúc khoá 2 chiều. 4 Năm 1993 Wheeler và Grant đưa ra phương pháp chuyển mạch dòng điện semi-soft giảm đáng kể tổn hao đóng cắt đồng thời chuyển mạch tin cậy chắc chắn.Hiện nay các nghiên cứu chủ yếu về thuật toán điều biên tối ưu hoặc với khía cạnh thiết kế mạch công suất gọn nhẹ trong một môđun tích hợp trên động cơ, bù ảnh hưởng của điện áp vào không cân bằng, vấn đề bảo vệ Matrix Converter … Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của ma trận khoá 2 chiều I.1.2 Khái niệm về Matrix Converter Matrix Converter là một bộ biến tần trực tiếp chuyển mạch cưỡng bức tốt, có thể nối giữa n pha vào có tần số và điện áp cố định U1, f1 với m pha đầu ra có tần số và điện áp biến thiên U2, f2. Với những ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu n=m=3 và đây là cấu hình thường gặp nhất (Hình 2). Trong bé Matrix Converter 3×3 gồm có một ma trận 9 khoá 2 chiều (Bi- Directional Switch-BDS) được sắp xếp thành 3 nhóm, mỗi nhóm tương ứng 5 với một pha đầu ra. Với cách bố trí như vậy, Matrix Converter sẽ nối bất kỳ đầu vào a, b, c với bất kỳ các đầu ra A, B, C, tại bất kỳ thời điểm. Ma trận các khoá 2 chiều đưa ra Σ C n i (i=0 9)= 512 khả năng kết hợp, để tạo ra các trạng thái đóng cắt của các khoá, nhưng chỉ có 27 trạng thái thích hợp, bởi vì, đầu vào của Matrix Converter như một nguồn áp 3 pha, trong khi đầu ra như một nguồn dòng 3 pha, do đó thực hiện đóng cắt các khoá phải tuân theo 2 luật sau, để đảm bảo không ngắn mạch nguồn áp, và hở mạch nguồn dòng + Không được nối 2 đầu vào khác nhau tới cùng một đầu ra vì sẽ gây ngắn mạch ở đầu vào dẫn tới hiện tượng quá dòng điện + Không được hở mạch ở đầu ra của Matrix Converter vì khi đó với tải cảm sẽ gây hiện tượng quá áp Hình 1-2 Cấu trúc 3 pha của Ma trận khoá 2 chiều a) Mạch điện b) ký hiệu 6 a C c b B A S11 S13 S12 a) S21 S23 S22 S31 S33 S32 a c b A B C b) Việc điều khiển điện áp ra, nhờ cách thực hiện đóng cắt các khoá (với các trạng thái cho phép), theo một thứ tự được xác định trước. Như vậy “giá trị trung bình” của điện áp ra phụ thuộc vào dạng sóng điện áp mong muốn tạo ra từ các điện áp vào. Ở dạng sóng điện áp ra, gồm chủ yếu những thành phần có tần số mong muốn cùng với các thành phần tần số cao do dóng cắt sinh ra, mà có thể loại bỏ được nhờ bộ lọc LC ở đầu ra, hoặc điện cảm của tải. Phía nguồn, dòng điện vào được tạo bởi những đoạn của 3 dòng điện ra và những đoạn bằng không, mà trong những đoạn bằng không đó dòng điện ra không trở về nguồn mà tuần hoàn chạy quẩn trong ma trận khoá. Phổ dòng vào chủ yếu gồm thành phần tần số nguồn cung cấp và các thành phần tần số cao, mà khi có bộ lọc đầu vào thì bị loại trừ để mong muốn tạo dòng điện vào hình sin. Matrix Converter chính vì thế có thể thực hiện được việc biến đổi tần số và điện áp trực tiếp AC-AC mà không cần thành phần tích trữ năng lượng trung gian I.1.3 So sánh Matrix Converter và các loại biến tần hiện có Biến tần hiện nay có thể chia làm 2 loại lớn. ∗ Biến tần trực tiếp . Điện áp vào xoay chiều U 1 và tần số f 1 chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác, vì vậy biến tần này có hiệu suất biến đổi 7 M¹ch van U~ f 2 U~ f1 H×nh 1-3 CÊu tróc biÕn tÇn trùc tiÕp nng lng cao, thờm vo ú l kh nng thc hin tỏi sinh nng lng tr v li m khụng cn cú mch in phụ. Tuy nhiờn s mch ny khỏ phc tp, vỡ cú s lng van ln, nht l vi mch 3 pha. Vic thay i tn s f 2 khỏ khú khn v ph thuc vo f 1 , vỡ vy hin nay ch yu ch cú bin tn loi ny vi phm vi iu chnh f 2 f 1 . Bin tn giỏn tip . in ỏp xoay chiu u tiờn c chuyn thnh mt chiu nh mch chnh lu, sau ú qua b lc ri mi bin tr v in ỏp xoay chiu vi tn s f 2 . Vic bin i nng lng 2 ln lm gim hiu sut bin tn, bự li loi bin tn ny cho phộp d dng thay i tn s f 2 khụng ph thuc f 1 trong di tn rng c trờn ln di f 1 vỡ tn s ra ch ph thuc vo mch iu khin. Hn na vi s ng dng h iu khin nh k thut s vi x lý v dựng van lc l cỏc loi tranzitor ó cho phỏt huy ti a cỏc u im ca loi bin tn ny vỡ vy a s bin tn hin nay l bin tn cú khõu trung gian mt chiu. Tuy nhiờn khi dựng van tiristo vn cũn mt s khú khn nht nh khi gii quyt vn khoỏ van. Chc nng cỏc khõu trong b bin tn giỏn tip : 8 f 1 ~ U 1~ U 2~ f 2 U = Chỉnh lu Lọc NGHịCH LƯU độc LậP U = Hình 1-4 Cấu trúc biến tần gián tiếp f 2~ - Khâu chỉnh lưu Chỉnh lưu là quá trình biến dòng điện xoay chiều thành một chiều. - Khâu lọc + Đóng vai trò một kho tích trữ năng lượng dưới dạng nguồn áp, khi dùng tụ điện hoặc dưới dạng nguồn dòng khi dùng cuộn cảm. + Nhờ có khâu trung gian một chiều, phía nghịch lưu sẽ làm việc tương đối độc lập với phía chỉnh lưu - Khâu nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập là quá trình biến đổi năng lượng điện mét chiều thành năng lượng điện dòng xoay chiều với tần số, giá trị điện áp, số pha, thứ tự pha và quá trình chuyển mạch dòng điện giữa các pha do bản thân bộ nghịch lưu quyết định, không phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều khác ∗ Sù giống và khác nhau giữa Matrix Converter và các loại biến tần a) Matrix Converter và biến tần trực tiếp - Matrix Converter thực chất là một bộ biến tần trực tiếp nên sẽ có những ưu, nhược điểm của biến tần trực tiếp như sau: + Nối trực tiếp giữa lưới và tải không qua một khâu trung gian nào nên hiệu suất truyền động cao. + Trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, có khả năng tái sinh năng lượng không cần mạch phụ. + Sè lượng van bán dẫn nhiều, do đó sơ đồ van và luật điều khiển cũng rất phức tạp. - Tuy nhiên Matrix Converter vượt trội hơn so với biến tần trực tiếp ở : 9 + Khả năng tạo được điện áp ra có tần số không hạn chế, có thể lớn hơn tần số nguồn cung cấp f1. + Có thể điều chỉnh được hệ số công suất đầu vào cosϕ i , độ lệch pha giữa dòng và áp vào ( ϕ i ) có thể > 0, = 0, hoặc < 0. + Do dùng van 2 chiều nên có thể hoạt động ở 4 góc phần tư mà không cần tác động vào phía đầu vào. b) Matrix Converter và biến tần gián tiếp - Mét số ưu điểm của biến tần gián tiếp cũng được ứng dụng trong công nghệ Matrix Converter. + Vì Matrix Converter được phân tích như một bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi, tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu, nên có thể sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) hay được dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lưu để đạt được chất lượng điện áp tốt nhất cho động cơ, do đó tần số và điện áp có thể được điều chỉnh trơn và không bị giới hạn bởi tần số vào + Thực hiện nối trực tiếp tầng chỉnh lưu nguồn dòng PWM với tầng nghịch lưu, mục đích để tạo ra khả năng trao đổi công suất phản kháng giữa lưới và tải. - Những điểm khác nhau có ý nghĩa rất lớn giữa Matrix Converter và biến tần gián tiếp là: + Không còn thành phần tích năng lượng phản kháng trung gian là cuộn cảm lớn hay tụ một chiều có tuổi thọ hạn chế, do đó giảm được kích thước của bộ biến tần, tạo ra khả năng tích hợp Matrix Converter trong một môđun gắn trên động cơ, giúp hệ truyền động gọn nhẹ và linh hoạt. 10 [...]... cỏc van bỏn dn cú trong Matrix Converter Tuy nhiờn b lc u vo LC v mch clamping l nhng mch khụng th thiu c trong cu hỡnh chung ca mt 3 Matrix Converter (a,b,c) Lọc đầu vào matrix convetrr 3 3 (A,B,C) 3 Mạch clamp M 3~ Khối cấp nguồn cho các mạch điện tử (Gate driver, Bộ chuyển đổi, Điều khiển) 22 Động cơ cảm ứng Hình 1-13 Cấu hình dạng khối tổng quát của Matrix Converter với động cơ cảm ứng I.3.1 B lc... van bỏn dn tng cho nờn ít dựng xõy dng Matrix Converter Nhỡn chung cụng ngh úng ct mm cha c s dng xõy dng Matrix Converter bi vỡ s lm tng s lng cỏc van bỏn dn Matrix 35 Converter vi úng ct cng ó s dng nhiu van hn cỏc b bin tn thụng thng, v s tng nh vy trong úng ct mm l khụng mong mun trong vic xõy dng cu trỳc Matrix Converter II.2 Chuyn mch dũng in trong Matrix Converter II.2.1 Yờu cu ca quỏ trỡnh chuyn... một đầu ra Matrix Converter a)Tránh ngắn mạch đầu vào b)Tránh hở mạch đầu ra Vic chuyn mch trong Matrix Converter phi c iu khin chớnh xỏc mi thi im vi hai lut c bn Ta cú th hỡnh dung ra 2 khoỏ trờn mt u ra ca Matrix Converter (hỡnh 2.2) Mt iu quan trng l quỏ trỡnh chuyn mch phi m bo khụng cú 2 khoỏ 2 chiu cựng c úng cựng mt thi im (hỡnh2.2a), bi vỡ iu ny s dn n ngn mch hai dõy vo ca Matrix Converter, ... úng ct cao + Gim kớch thc h truyn ng Matrix Converter bng cỏch tớch hp tt c cỏc cu trỳc silicon phc tp (khoỏ 2 chiu) trong mt mụun cụng sut Tớch hp cỏc mch bo v, khi logic iu khin chuyn mch, ngun cỏch ly mch iu khin, gate driver trong mt bng mch in t gi l PEBB I.2 khoỏ 2 chiu trong matrix converter I.2.1 Quỏ trỡnh nng lng trong Matrix Converter Ta bit rng Matrix Converter cú kh nng trao i nng lng vi... th bng 6 van bỏn dn thờm vo trong gii phỏp Matrix Converter Cụng ngh Khúa iu Diot ct Diot chnh T hoỏ ln in cm ln khin hon nhanh lu MC Bin tn ton 18 12 18 12 0 0 0 1 0 3 back to back Bin tn vi 6 6 6 1 0 hoc 1 chnh lu khụng iu khin Bảng 1: So sánh số lợng van bán dẫn trong Matrix Converter với 2 loại VSI Nu cỏc van úng ct c s dng trong khoỏ hai chiu ca Matrix Converter cú kh nng chn in ỏp ngc vớ d MTO... cn cú mch ph gm nhng phn t phn khỏng ci thin dng súng dũng vo, v ng thi bo v Matrix Converter chng li cỏc s c khi xy ra quỏ dũng hoc quỏ ỏp Tuy nng lng tn hao trong cỏc phn t phn khỏng ny s nh hn nhiu so vi cỏc b bin tn cú phn t ni mt chiu, nhng s lm tng kớch thc v giỏ thnh ca b Matrix Converter, lm gim u th ca Matrix Converter so vi cỏc b bin tn truyn thng Vỡ vn d khụng cú ng thoỏt nng lng (free... qua in ỏp ri trong in cm b lc, bi vỡ dũng in khụng ti ch i qua cỏc t in Thnh phn c bn ca dũng in do Matrix Converter to ra (I 50) tớnh c nh cụng sut u ra ca bin tn v giỏ tr in ỏp vo I50 =P0/3*Ei (1.2) Dũng in u vo tng cng ca Matrix Converter v b lc bng tng ca dũng in khụng ti (I0) vi dũng in ch o t Matrix Converter (I50) Khi thnh phn phn khỏng ca dũng vo l khụng i ( I 0 =const), thỡ gúc pha dũng vo ph... iu ny l khụng th thc hin c khi Matrix Converter ang hot ng vỡ s xy ra in ỏp ri trờn cỏc in tr hn ch, nhng cú th s dng loi tr quỏ ỏp khi khi ng cp ngun cho Matrix Converter Khi cú t clamp tham gia vo s quỏ khi khi ng (thm chớ ngay c khi t ny phúng ), nu tho món iu kin ca R thỡ quỏ trỡnh quỏ cng b tt dn I.3.2 Mch kp (clamp diode) Hình 1-16 Mạch clamp diode bảo vệ Matrix Converter a) Trạng thái zero-vectors... 32 Chng II: vn chuyn mch trong matrix converter Matrix Converter cú nhiu thun li hn cỏc bin tn truyn thng nh kh nng tỏi sinh nng lng tr li li, dũng in vo v ra hỡnh sin, v cú th iu khin c h s cụng sut u vo, kớch thc cng c gim xung ỏng k bi vỡ khụng cú phn t phn khỏng ln tớch nng lng trung gian Tuy nhiờn cng cú mt vi vn thc t quan trng ny sinh cn c quan tõm vi Matrix Converter Vỡ khụng cú ng thoỏt nng... cụng sut phn khỏng tr li li hoc tiờu th Q iu ny rt cú ý ngha i vi truyn ng dựng Matrix Converter vi cụng sut ln, vỡ s nh hng n li l rt ỏng k, hn na tn hao hn ch c s l rt ln thc hin c iu ny cn cú cỏc khoỏ 2 chiu trong cu trỳc ca Matrix Converter cú th dn dũng theo c 2 chiu li n ti hoc ti v li I.2.2 Cu trỳc khoỏ 2 chiu Matrix Converter yờu cu cỏc khoỏ hai chiu cú th trao i nng lng vi li Khoỏ hai chiu . Với những vấn đề rộng và phức tạp như vậy, trong khuôn khổ thời gian có hạn, bản đồ án này chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản của Matrix 2 Converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng. những vấn đề cơ bản của Matrix Converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab Mở Đầu Điện tử công suất được ứng dụng. đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên quan tâm. Chương I: Matrix Converter các vấn đề cơ bản I.1 khái niệm về Matrix Converter I.1.1 Sự phát triển của Matrix Converter Thời